Aanpassing molecuulstructuur laat organische transistor werken bij minder dan 1 volt (video)

Door de samenstelling van een isolerende polymeerlaag aan te passen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Ottawa de prestaties van organische dunne-filmtransistoren verbeterd. De transistoren in hun tests functioneren derhalve al bij spanningen vanaf 0,9 volt. De methode kan mogelijkheden bieden voor energiezuinige, flexibele en draagbare elektronica.

De prestaties van een transistor worden niet alleen bepaald door het halfgeleidermateriaal zelf, maar natuurlijk ook door de manier waarop de verschillende materiaallagen op elkaar aansluiten. Onderzoekers onder leiding van Benoit Lessard hebben aangetoond dat kleine veranderingen in de samenstelling van de onderliggende isolatielaag grote invloed kunnen hebben op de elektrische eigenschappen. Het onderzoek richt zich op organische dunne-filmtransistoren (OTFT’s).

De onderzoekers gebruikten een organische halfgeleider op basis van een siliciumftalocyanineverbinding. Deze werd aangebracht op verschillende isolerende polymeerlagen waarin gepolymeriseerde ionische vloeistoffen (PIL’s) waren verwerkt. Door de concentratie van deze ionische bestanddelen te veranderen, konden de onderzoekers beïnvloeden hoe de moleculen van de halfgeleider zich op het oppervlak rangschikken. Die moleculaire ordening is belangrijk voor het transport van elektrische lading. Met behulp van röntgenverstrooiing, atoomkrachtmicroscopie en elektrische metingen onderzochten de wetenschappers de relatie tussen de samenstelling van de isolatielaag, de molecuulstructuur en de prestaties van de transistor.

0,9 volt

Bij een verhoging van het PIL-gehalte van 12 naar 65 procent bleken de transistoren te kunnen functioneren bij spanningen vanaf 0,9 volt. Daarbij werd een aan-uitverhouding van ongeveer 10.000 bereikt en een transconductantie tot 1.850 nanosiemens. De aan-uitverhouding geeft hierin aan hoe goed een transistor onderscheid kan maken tussen een geleidende en een niet-geleidende toestand. De resultaten laten zien dat de grenslaag tussen de isolator en de halfgeleider een belangrijke rol speelt bij het realiseren van organische transistoren die bij lage spanningen functioneren.

Mogelijkheden

De onderzoekers verwachten dat een betere controle over de moleculaire ordening kan bijdragen aan ‘de ontwikkeling van elektronica die minder energie nodig heeft’. De onderzoeksgroep werkt daarnaast aan elektrochemische sensoren waarmee niet alleen de aanwezigheid, maar ook de concentratie van bepaalde stoffen kan worden gemeten. Dergelijke sensoren zouden bijvoorbeeld kunnen worden ingezet voor het analyseren van gevaarlijke stoffen.